전기화학 축전기 신기술

김종휘, 진창수, 신경희

한국에너지기술연구원 에너지저장연구센터

New Technologies of Electrochemical Capacitors

Jong Huy Kim, Chang Soo Jin, Kyung Hee Shin

Energy Storage Research Center, Korea Institute of Energy Research

서론(전기화학 축전기)

전기에너지를 저장하는 축전기를 통칭하여 캐패시터(capacitor)라고 한다(흔히 말하는 □콘덴서(condenser)□라는 명칭은 과학기술용어로써는 축전기만을 의미하지 않으므로 용어의 사용에 유의할 필요가 있다). 축전기 또는 캐패시터에는 크게 두 가지 종류가 있다. 즉, 축전하는 원리가 정전기적(electrostatical)인 것과 전기화학적(electrochemical)인 것으로 나누어진다. 전자는 양극과 음극으로 구성되는 두 전극 사이에 유전체(dielectric material)의 성질을 이용하고 후자는 전해질(electrolytic material)의 성질을 이용하는 것이다. 이해를 돕기 위하여 비유적으로 설명하면, 유전체는 강에 있는 징검다리와 같아서 전자(electron)들이 강을 건너가게 하는 역할을 한다고 말할 수 있으며 전해질은 해리(charge sepration)된 양이온(cation)과 음이온(anion)들을 실어 나르는 나룻배와 같다고 할 수 있다.

전기화학 축전기와 전지(battery)가 전기화학적인 축전원리를 이용하는 점에 있어서 유사성은 있으나 크게 구별되는 점은 전해질이 전극과의 계면에서 반응할 때 패러데이 반응(Faradaic reaction)의 여부에 따라 구별된다. 패러데이 반응이 있으면 충분히 가역적이지 못한 열역학적 현상이 동반하게되는데 이러한 종류의 축전기를 전지(1차전지와 2차전지를 포함하여)라고 한다. 한편, 전기화학 축전기(electrochemical capacitor)를 분류하면 지금까지 전해콘덴서라고 말하고 있는 전해캐패시터(electrolytic capacitor)와 초고용량 캐패시터(supercapacitor or ultracapacitor)가 있다.  또한, 초고용량 캐패시터에는 전기이중층(electric double layer) 효과를 충분히 이용하는 전기이중층 캐패시터가 있으며 산화환원 과정을 갖으나 패러데이 반응이 없는 유사축전(peudocapacitance) 효과를 이용하는 유사축전기(일명 redox capacitor)가 있다.

본고에서는 최근 십여 년 동안 기술 선진국들이 활발한 연구개발을 통하여 큰 발전을 가져온 전기화학 축전기인 초고용량 캐패시터 기술을 바탕으로 하여 새롭게 도전하고 있는 차세대형 전기화학 축전기 신기술을 소개하고자 한다.

하이브리드 전지(hybrid battery or capattery) 기술

일반적으로 2차전지가 갖는 높은 에너지밀도의 특성을 최대한 유지하면서 초고용량 캐패시터가 갖는 높은 동력밀도의 장점을 이용하기 위하여 연구개발이 시작되고 있는 전기화학 축전기 신기술이다. 리튬이온전지 기술을 응용하여 에너지밀도는 리튬이온전지보다 다소 낮으나 동력밀도가 현격하게 향상된 하이브리드 전지를 개발코자하는 다국적기업의 연구사례가 있지만 구체적인 연구결과를 발표하지 않고 있어서 자세한 소개가 불가능하다. 그러나, 니켈수소전지의 특성과 전기이중층 캐패시터의 특성을 결합한 형태의 하이브리드 전지는 현재 러시아의 ESMA사에서 개발하여 상품화 초기단계에 있다. 국내에서는 한국에너지기술연구원 에너지저장연구센터에서 자체연구(기관고유)사업의 일환으로 ESMA사와 유사한 하이브리드 전지 개발연구를 진행 중에 있다.

한국에너지기술연구원 에너지저장연구센터에서 수행 중인 하이브리드 전지 연구개발 진행내용을 간략히 소개하기로 한다. 먼저, 전극소재로써 양극은 니켈하이드록사이드(Ni(OH)2)와 활성탄소분말을 혼합하여 사용하고 음극은 활성탄소만을 사용한다. 각각의 전극을 제작한 후 충분한 에이징(aging) 과정을 거친 후 단위 셀(cell)을 조립하게 된다. 뚜렷한 성능 특성으로서는 수용성 전해액(KOH)에서도 단위 셀 전압을 1.6V까지 올릴 수 있어서 전기이중층 캐패시터보다 훨씬 증가된 에너지밀도를 갖으며 니켈수소전지보다 증가된 동력밀도와 충방전 반복사용수명을 보인다. 그러나, 누설전류와 자가방전을 극소화시키는 연구와 충방전 반복사용수명을 10만회 이상으로 향상시키기 위한 연구를 계속하고 있다.

하이브리드 초고용량 캐패시터(hybrid supercapacitor) 기술

하이브리드 초고용량 캐패시터는 전해캐패시터와 전기이중층 캐패시터의 중간형인 전기화학 축전기이다. 초고용량 캐패시터와 전지는 단위 셀의 전압이 1-3V의 범위에서 제한되는 문제점이 있다. 이러한 문제는 실제의 응용시스템에서 수십 볼트(Volt) 이상을 요구하는 축전시스템 전압을 유지하기 위하여 별도의 보완기능을 추가해야함을 의미한다. 예를 들어, 전압이 3V인 단위 팩(pack) 10개를 직렬로 연결해서 30V인 축전시스템을 구성한다고 할 때 10개의 단위 팩들의 내부저항이 동일하다는 전제를 하고 있음을 명심할 필요가 있다. 수 밀리 오홈(mili-Ohm) 범위의 내부저항을 가진 단위 팩들이 실제적으로 10% 정도의 내부저항 오차를 가진다면 어떤 단위 팩은 충전전압이  3.3V가되고 어떤 단위 팩은 2.7V가 되는 전압불균형 문제가 발생한다. 실제적으로 이는 충방전시에 축전시스템의 직접적인 파손이나 손상의 원인이 되므로 등전압 유지를 위한 별도의 전자보호회로를 구성하여 축전시스템에서 사용하고 있다. 그러나 만약 축전용량은 1/100이지만 단위 셀의 전압이 10배 높은(즉, 동일한 에너지밀도의) 30V 축전기가 있다면 이러한 등전압 유지를 위한 보호회로가 불필요하게 되고 축전용량의 증가가 필요한 경우에는 단순히 축전기를 병렬 연결하면 되는 큰 장점이 있다.

세계적으로 하이브리드 초고용량 캐패시터를 연구 개발한 회사는 미국의 EVANS사와 AEROVOX사가 있으며 국내에서는 본고의 저자들이 소속한 한국에너지기술연구원 에너지저장연구센터가 2000년도 국가지정연구실로 지정되어 이러한 신기술의 확보를 위한 연구를 수행하고 있다. 미국의 두 회사에서는 양극물질로써 알루미룸(Al)과 탄탈룸(Ta)을 음극물질로써 루데눔(Ru)을 주로 사용하고 있다. 본고의 저자들은 양극소재를 알루미눔으로 하고 음극소재를 미량의 루데눔이나 탄소(carbon)를 사용하고 있다. 본 신기술의 핵심은 300V까지의 단위 셀 전압에서도 안정한 전해액을 조성하는 것과 양극에서의 산화막을 균일하게 형성하면서도 큰 비표면적을 유지할 수 있도록 하는 데에 있다.

참고문헌

1. B. E. Conway, "Electrochemical Supercapacitors : scientific fundamentals and technological applications", Kluwer Academic/ Plenum publishers, New York, 1999

2. Florida Educational Seminars, Inc. "The 9th International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices", December 6-8, 1999

3. Florida Educational Seminars, Inc. "The 10th International Seminar on Double Layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices", December 4-6, 2000

Fig.1. Comparison of energy density vs. power density for  electrochemical capacitors and batteries.

Table 1. Classification of capacitors.

분 류		종 류	전극중량당 축전용량 (per gram)	단위 cell 당 사용전압	특 징
정전기 캐패시터 (Electrostatic Capacitors)		Ceramic Capacitor	1.0□∼2.2□	∼ 1.5kV	유전체의 정전기적 분극성을 이용, 자유전자의 정전기적 축전, 고전압, 고출력 밀도, 저에너지 밀도,
		Glass Capacitor	0.5□∼10000□	100∼ 500V
		Mica Capacitor	1.0□∼10000□	100V∼2.5kV
		Plastic/Metalized Film Capacitor	0.001∼100□	∼ 1.5kV
전기화학 축전기 (Electro- chemical Capacitors)	전해 캐패시터 (Electolytic Capacitors)	Aluminium Electolytic Capacitor	0.68□∼0.22F	∼ 350V	금속전극과 전해질 이용, 이온흡착에 의한 전하유기 축전, 공해성
		Tantalum Electolytic Capacitor	0.001□∼1000□	6∼120V
	Hybrid Super- capacitor	Aluminum/Tantalum + Carbon/Metal-oxide	∼ 100F	∼ 600V	전해콘덴서와 Supercapacitor의 중간형
	초고용량 캐패시터 (Super- capacitor)	Double Layer Capacitor (전기이중층 캐패시터)	∼ 150F	0.8∼3.0V	다공성 전극과 전해액 이용, fully reversible chemisorption, 긴 수명, 고출력 밀도, 무공해성 소재
		Redox Capacitor (유사 축전기)	∼ 750F	0.8∼3.0V
	하이브리드 전지 (Capattery)	Metal + Carbon	∼ 2000F	∼ 3.0V	Battery와 Supercapacitor의 중간형
신형 2차전지 (Secondary Batteries)		Ni-MH 전지	> 10,000F	∼ 2.0V	irreversible redox process, 짧은수명, 저출력 밀도, 고에너지 밀도, 사용안전 주의필요
		Li-ion 전지	> 10,000F	∼ 3.0V
		Li-polymer 전지	> 10,000F	∼ 4.0V